科学家使用无机锌基化合物来大大提高钠离子和钾离子电池的容量。
给汽车电池充电——说明性照片。 图片来源：JUICE，来自 Unsplash，免费许可
锂离子电池 (LIB) 是迄今为止使用最广泛的充电电池类型，涵盖多种应用。 其中包括消费电子产品、电动汽车（例如特斯拉汽车）、可再生能源系统和航天器。
尽管与其他可充电电池相比，锂离子电池在许多方面都具有最佳性能，但它们也有其自身的缺点。 锂是一种相当稀缺的资源，随着其供应量的减少，其价格将迅速上涨。
此外，由于常用的液体电解质有毒且易燃，锂提取和不当废弃锂离子电池带来了巨大的环境挑战。
锂离子电池的缺点促使世界各地的研究人员寻找替代储能技术。 钠 (Na) 离子电池 (NIB) 和钾离子电池 (KIB) 是两种快速新兴的选择，既经济高效又可持续。 预计到本世纪末，NIB 和 KIB 都将成为价值数十亿美元的产业。
世界各国政府，包括美国、奥地利、香港、德国和澳大利亚，都在推动这一领域的研究和创新。 此外，Faradion Limited、TIAMAT SAS 和海纳电池科技有限公司等公司正在大力投资这项技术。 宁德时代新能源科技有限公司和Build Your Dreams预计很快就会推出带有NIB的电动汽车电池组。
然而不幸的是，NIB和KIB中使用的电极材料的容量仍然落后于LIB。 在此背景下，由日本东京大学理学院（TUS）Shinichi Komaba教授领导的研究小组一直致力于开发用于NIB和KIB的突破性高容量电极材料。
在他们最新的研究中， 发表于 先进能源材料 9 年 2023 月 XNUMX 日，他们报告了一种新的纳米结构“硬碳”(HC) 电极合成策略，可提供前所未有的性能。 该研究由启迪国立大学的 Daisuke Igarashi 先生、Yoko Tanaka 女士、初级副教授 Ryoichi Tatara 以及日本国立材料科学研究所 (NIMS) 的 Kei Kubota 博士共同撰写。
但什么是 HC？为什么它对 NIB 和 KIB 有用？ 与石墨烯或金刚石等其他形式的碳不同，HC 是无定形的； 它缺乏明确的晶体结构。 此外，它坚固耐用。 在 2021 年早些时候的一项研究中，Komaba 教授和他的同事发现了一种在合成 NIB 的 HC 电极时使用氧化镁 (MgO) 作为模板的方法，从而改变其最终的纳米结构。
该过程导致在去除 MgO 后在电极内形成纳米孔，从而大大提高了电极储存 Na 的能力+ 离子。
受先前发现的启发，研究人员探索了由锌 (Zn) 和钙 (Ca) 制成的化合物是否也可用作 HC 电极的纳米模板。 为此，他们系统地研究了使用氧化锌 (ZnO) 和碳酸钙 (CaCO3）并将它们的性能与使用氧化镁（MgO）合成的性能进行了比较。
初步实验表明，ZnO 作为 NIBs 负极特别有前景。 因此，研究人员在合成过程中优化了嵌入 HC 基质中的 ZnO 浓度，展示了 464 mAh g 的可逆容量 - 1 （相当于NaC4.8）具有 91.7% 的高初始库仑效率和 0.18 V 的低平均电位（相对于 Na）+/娜。
该团队通过将这种强大的电极材料融入实际电池中，取得了显着的成果。 “使用优化的 ZnO 模板 HC 作为负极制造的 NIB 表现出 312 Wh kg 的能量密度 - 1“ Komaba 教授重点介绍了这一点。
“这个值相当于目前商业化的某些类型的磷酸铁锂锂离子电池的能量密度4 和石墨，能量密度是第一个 NIB 的 1.6 倍以上（192 Wh kg - 1），我们的实验室早在 2011 年就报告过这一点。” 值得注意的是，ZnO 模板化的 HC 还表现出 381 mAh g 的显着容量 - 1 当纳入 KIB 时，进一步展示其潜力。
综上所述，本研究结果表明，使用无机纳米粒子作为模板来控制孔结构可以为HC电极的开发提供有效的指导。 “我们的研究结果证明，碳氢化合物是负极材料的有前途的候选者，可以替代石墨。” Komaba 教授总结道。
塑造硬碳以获得用于钠离子电池的特殊大容量电极：在合成过程中使用氧化锌作为模板，可以将纳米孔掺入硬碳中。 这些孔隙使该材料能够存储更多的电荷载流子，使其成为钠离子电池的有前途的电极候选者，其能量密度可以达到与 LiFePO4 型锂离子电池相当的能量密度。 图片来源：来自 TUS Japan 的 Shinichi Komaba
反过来，这可以使NIB在实际应用中可行，例如可持续消费电子产品和电动汽车的开发，以及用于存储来自太阳能和风电场的能量的低碳足迹储能系统。
Sumber: 东京理科大学
